模拟仿真：预防城市未发之疾

陈晨

“在建成之前预防一定好过建好之后补救，做在前面，我们可以采取的方法也更多。”在聊起模拟仿真对于城市规划建设的作用时范秦寅说道。仿真模拟在今天并不是什么新生事物，随着城市人口的不断增长，城市的安全、卫生、环境等方面都需要被感知和把控，面对这些城市问题，如何才能够做到提前把握、提前预防？模拟仿真就是基于这样的想法而被应用于城市规划建设的。为了能够了解模拟仿真技术是如何指导城市建设的，近日，《经济》记者专访了中国城市科学研究会智慧城市联合实验室首席科学家、日本大阪大学流体工程实验室研究员范秦寅。

城市模拟仿真中的流体力学

《经济》：您在城市模拟仿真中的主要研究方向是流体力学，您能为我们具体讲讲在城市建设中，流体力学是怎样发挥作用的吗？

范秦寅：流体力学在我们的生活中无处不在，风的流动、水的流动都可以通过流体力学来解读，具体到模拟仿真中的计算，流体力学的作用就会被更加放大。海啸来了，如何选择最佳逃生路径；来自不同风向的季风如何影响我们的城市；城市热岛效应在具体城市是如何形成的，能否在城市规划之初就预测和采取预防措施；流体污染物的扩散路径能否精确预测，以便采取最佳应对之策，这些都是可以通过数据的计算、分析来找到答案的。

《经济》：也就是说，流体力学在模拟仿真方面的应用可以让城市更加安全？

范秦寅：助力城市安全是其中的一大部分，也发挥了很重要的作用。举个列子，在东京，有专门的研究人员制作了大雨对地铁影响的模拟仿真系统，通过这个系统，我们就可以了解到如果东京出现降雨，哪些地铁站容易进水，会进多少。通过这个系统，也许我们只需要在地铁站的入口处增加一道很小的门槛，就可以抵御80%的降雨影响，从而保障人们的安全，这就是仿真模拟的价值。

其实除此之外，环境保护、城市的生活舒适程度都可以通过模拟仿真来提升。通过计算，我们可以知道城市中究竟哪里容易出现污染物的聚集，是什么原因让其不易扩散。我之前就做过类似的模拟，当时选取的是二氧化碳在城市中的扩散情况，这中间用到了很多气象数据，其实不只是二氧化碳，其他空气污染物的情况也是可以通过模拟仿真来被人们所了解的，而且随着可视化技术的不断提升，现在我们已经可以很直观地看到这些污染物对我们城市的影响，影响范围有多大、浓度高低等。如果我们打算建造一个会排出空气污染物的工厂，在选址与规划之前，就可以采用模拟仿真来提前预测这些污染会影响到多大范围，通过对边际条件数据的采集，了解到整个区域的情况，南风时如何、北风时如何。假设它周围有医院、学校等绝对不能在污染范围中的机构，我们也可以采取一些办法，比如通过更改烟囱的位置来避免。

让我们“看到”风

《经济》：仿真模拟中流体力学的应用非常依赖边界条件，您能为我们具体讲讲什么是边界条件吗？

范秦寅：边界条件，是一个专业问题，如果我们需要做到的是计算整个领域内的情况，并通过数据来解读，那么我们就必须要先知道边界上的情况，这样整个领域的情况就可以通过计算得出，可见边界条件非常关键。比如说领域如果是一张桌子，那么桌边就是边界，只要边界的条件被确定了，那么整个领域的内容就可以被计算出来，当然这是在二维层面上讲的。具体到计算一个屋子里的风来说，我们都知道风一定是通过窗户和门来进行空气交换的，可是在这样的位置气流往往是散乱而无规律的，面对这样的情况，目前来说解决办法一般是扩大领域，扩大到比较容易测量的边界，扩大到没有建筑的地方，那里的风比较规则，用试纸就可以得到准确的数据。但就成本而言，这种扩大范围会让整个计算的成本提高，可以说计算本身不难，但是很多条件都会成为限制。

《经济》：在我们的城市生活中了解风会有哪些方面的作用？

范秦寅：大家肯定都会感觉到，两个高层建筑之间的风是很大的，这种两个高层建筑之间的突风，如果我们能在建筑规划设计时使用模拟仿真，那么流体力学的计算就会告诉我们，这样的设计会让中间1.5米宽度的风速超过5米。超过了限制标准，我们就可以提前采取种植防风林、调整建筑设计角度之类的办法来避免这样的问题。如果已经建成了，我们也可以采取补救措施，只是可选用的办法会少得多，成本也会更高。总的来说，在建成之前预防一定好过建好之后补救，做在前面，我们可以采取的方法也更多。这就是模拟仿真对于城市的意义。